复杂等离子体光子晶体能带结构计算

卢欣; 旷盈; 杨洁; 王志杰; 王立群

工程数学学报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (2) : 341 -364.

复杂等离子体光子晶体能带结构计算

卢欣, 旷盈, 杨洁, 王志杰, 王立群

作者信息 +

Author information +

文章历史 +

摘要

等离子体光子晶体是由等离子体和其他介电材料或者真空构成的，具有周期性结构，其可调控的带隙特性使得等离子体光子晶体在滤波器、等离子体隐身衣和等离子体透镜等军事医学器件制造上具有广泛的应用。因此，通过改变等离子体的密度、温度等参数来获取满足特定需求的能带结构特性便有着非常重要的意义。基于上述考虑，提出Petrov-Galerkin有限元计算方法来求解并分析等离子体光子晶体的带隙特性。该方法的核心思想是构造在边界上系数互为倒数的基函数和测试函数所构成的空间，在消除边界上积分的同时降低自由度。采用的网格为半笛卡尔投影网格，该网格能适应复杂等离子体柱形状。在建立弱形式时将界面非线性连续条件线性化，简化了界面积分项的处理。通过绘制数值算例的能带结构图，分析验证了等离子体电子密度、等离子体光子晶体柱的填充率和形状等因素对带隙宽度、带隙位置、耦合带隙以及截止频率造成的影响，从而实现等离子体光子晶体能带结构的可调控性。